鎖扣鋼管樁圍堰在深水基坑中的設(shè)計與應(yīng)用

保 濤

（蘭州市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，甘肅蘭州）

1 項目背景及難點分析

某高速公路特大橋橫跨江面，主橋采用連續(xù)剛構(gòu)，跨徑組合為116 m+220 m+116 m。主橋下部結(jié)構(gòu)采用雙肢薄壁墩，左右幅連體低位承臺，群樁基礎(chǔ)。主墩2#墩位于靠近江岸的水中，水深約5～8 m。相關(guān)水文資料顯示，橋址處常水位為202.5 m，枯水期水位為198.m，汛期歷史記錄為218.0 m，汛期為8 月中旬至9 月下旬。2#墩承臺頂設(shè)計高程197.58 m，承臺設(shè)計尺寸為26.2 m×19.2 m×5.0 m。地質(zhì)調(diào)查測繪及鉆探揭示，圍堰處靠近江岸側(cè)由上至下分別為粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥巖；靠近江心側(cè)由上至下分別為強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖，地質(zhì)情況及土層力學(xué)指標見圖1 及表1。泥巖裂隙不發(fā)且較淺，隔水性較好。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性組合及地下水賦存條件，橋位區(qū)地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水兩大類。

表1 土層力學(xué)指標

圖1 地質(zhì)及水位情況分布

2#主墩承臺施工難點主要在于以下幾個方面：①2#主墩附近地形陡峭，坡度約20°～50°；②2#主墩承臺位于深水中，圍堰的設(shè)計與施工是本工程的重點和難點；③場地狹窄，常規(guī)鋼圍堰難以實施。

2 圍堰方案比選

王澤升[1]、閆古龍[2]、楊津[3]結(jié)合工程實際，介紹了深水基礎(chǔ)鎖扣鋼管樁圍堰施工技術(shù)；嚴杰等[4]、胡浩等[5]介紹了鋼套箱圍堰在深水基礎(chǔ)中的應(yīng)用。上述研究結(jié)果表明，鎖扣鋼管樁圍堰和鋼套箱圍堰在深水基礎(chǔ)中均可成功應(yīng)用。

（1） 技術(shù)層面。圍堰方案技術(shù)可行性層面應(yīng)考慮的因素有：流速、基坑涌水量和圍堰穩(wěn)定性。查閱資料得知，該江流速約0.4 m/s～0.5 m/s，在該流速情況下兩種圍堰方案均可采用?；佑克靠砂聪率竭M行評價：

式中：Q 為基坑總涌水量，m3/d；k 為土的滲透系數(shù)，m/d；H 為潛水含水層厚度，m；r0為基坑等效半徑，m；S為基坑水位降深，m；b 為基坑中心到河岸的距離，m。

經(jīng)計算，2#主墩承臺開挖過程中，基坑涌水量Q=158 m3/d，兩種圍堰方案均能滿足要求，但鎖扣鋼管樁圍堰需做好止水措施。穩(wěn)定性方面，經(jīng)驗算，鎖扣鋼管樁圍堰和鋼套箱圍堰均能滿足施工需求。因此，兩種圍堰方案在技術(shù)層面上均可行。

（2） 其他層面。其他層面應(yīng)考慮的因素有：現(xiàn)場空間、經(jīng)濟性、施工進度、水文地質(zhì)情況?，F(xiàn)場空間方面，現(xiàn)場狹小，鋼套箱圍堰方案受場地限制，難以實施；經(jīng)濟性方面，鋼套箱圍堰總成本約695.5 萬元，鎖扣鋼管樁圍堰總成本約446.35 萬元，成本節(jié)約35.84%，鎖扣鋼管樁圍堰更經(jīng)濟；進度方面，鋼套箱圍堰方案工期受工廠加工、運輸及安裝制約，尤其是在疫情如此嚴峻的情況下，外部因素極不可控，在理想情況下工期約145 d。鎖扣鋼管樁圍堰取決于鋼管樁打入速度，理想情況下工期約123 d，工期至少節(jié)約15.17%；水文地質(zhì)方面，2#主墩處水文、地質(zhì)等情況能滿足鎖扣鋼管樁施工的要求。

綜合上述情況，最終選擇了鎖扣鋼管樁圍堰方案。目前該承臺已施工完成，施工期間圍堰穩(wěn)定性良好，止水效果好，成本和進度與預(yù)期相符。

3 鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計

3.1 鎖扣設(shè)計

鎖扣鋼管樁由主管、“C”管和“O”管組成。主管由直徑630 mm,壁厚12 mm 的無縫鋼管制成；“C”管由直徑152 mm，壁厚8 mm 的無縫鋼管從中間對切成“C”形；“O”管由直徑133 mm，壁厚8 mm 的無縫鋼管制成。在一般位置，分別在每根主管兩側(cè)對稱焊接“C”管和“O”管；在圍堰的四個角點位置，“C”管和“O”管在主管呈垂直焊接。為確保安裝牢固，在主管和“C”管連接處，縱向每間隔0.5 m 在“C”管兩側(cè)對稱焊接一塊加強鋼板。安裝時，每根主管上的“C”管套住“O”管，形成鎖扣，將所有主管連接成一個整體，再在“C”管和“O”管之間的縫隙填充止水材料，防止圍堰外的水滲入圍堰內(nèi)，止水材料由鋸末、機制砂和水泥按一定比例拌合而成?！癈”管和“O”管構(gòu)造及主管連接見圖2。

圖2 鎖扣鋼管樁一般位置與轉(zhuǎn)角處連接方式

3.2 鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計

設(shè)計單根鋼管樁樁長20 m，圍堰平面尺寸為28.725×21.773 m，共設(shè)置三層內(nèi)支撐。圍檁采用雙拼HN700×300H 型鋼，內(nèi)支撐采用630×10 mm 鋼管。為保證受力均勻，圍檁與鋼管支撐相接觸但貼合不緊密處需采用鋼板支墊緊密，在鋼管樁圍堰上焊接牛腿，上方安裝圍檁，圍檁與鎖扣鋼管樁圍堰間空隙采用混凝土填充。鎖扣鋼管樁圍堰共需鋼材約880 t，工程數(shù)量見表2。

表2 鎖扣鋼管樁圍堰工程數(shù)量

4 鎖扣鋼管樁圍堰施工

4.1 施工工藝

鎖扣鋼管樁圍堰施工流程：導(dǎo)向架安裝（利用第一層圍檁作為導(dǎo)向架）→沖擊鉆進行圍堰管樁引孔施工→回填碎石土→履帶吊機振動錘就位→鎖扣管樁插打→合龍→圍檁四周與鎖扣鋼管樁縫隙用混凝土填筑密實→澆筑封底混凝土→抽水至第二層鋼支撐圍檁下0.5 m→安裝第二層鋼支撐圍檁→圍檁四周與鎖扣鋼管樁縫隙用混凝土填筑密實→抽水至第三道支撐以下0.5 m→安裝第三層鋼支撐圍檁→圍檁四周與鎖扣鋼管樁縫隙用混凝土填筑密實，圍堰抽水到承臺底→清理封底混凝土，第一次施工2.5 m 承臺混凝土，圍堰內(nèi)側(cè)灌砂至194.78 m，承臺混凝土達到設(shè)計強度后澆筑50 cm 厚素砼換撐→換撐砼達到設(shè)計強度后拆除第三道支撐與圍檁→第二次施工2.5 m 承臺混凝土，圍堰內(nèi)側(cè)灌砂至承臺頂以下0.5 m，承臺混凝土達到設(shè)計強度后澆筑50 cm 厚素砼換撐→施工墩身至205.0 m→回水至第二道支撐以下0.5 m→拆除第二道支撐與圍檁→圍堰內(nèi)回水至第一道支撐以下0.5 m，拆除第一道支撐與圍檁→拔出鎖扣鋼管樁，完成承臺施工。施工流程見圖3。

圖3 鎖扣鋼管樁圍堰施工工藝流程

4.2 施工期間的監(jiān)測

鎖扣鋼管樁圍堰主要有水平位移監(jiān)測和內(nèi)支撐軸力監(jiān)測。水平位移監(jiān)測可采用埋設(shè)測斜管進行量測的方法進行監(jiān)測，內(nèi)支撐軸力監(jiān)測可采用應(yīng)力計進行量測。水平位移和內(nèi)支撐軸力監(jiān)測測點布置見圖4。

圖4 圍堰監(jiān)測點布置

一般情況下，開挖深度不超過三分之一時，可2～3天監(jiān)測一次；開挖深度大于三分之一且小于三分之二時，可1～2 天監(jiān)測一次；開挖深度超過三分之二時，應(yīng)每天監(jiān)測一次。當出現(xiàn)數(shù)據(jù)變化較大、惡劣天氣、支護結(jié)構(gòu)異常、荷載增加等情況時，應(yīng)適當增加監(jiān)測頻率，并及時分析原因，采取解決的措施，如有必要，人員應(yīng)及時撤離。

4.3 注意事項

（1） 引孔。由于墩位處沒有覆蓋層，鋼管樁打設(shè)處均屬于泥巖。采用一般振動錘無法打設(shè)，因此只能引孔后再打設(shè)，引孔可以采用旋挖鉆或沖擊鉆。由于在設(shè)計鋼棧橋和鉆孔平臺時，未考慮采用旋挖鉆工況，故采用沖擊鉆引孔。與安裝鋼護筒類似，鋼管樁引孔也采用鉆頭直徑為1 m 沖擊鉆盲沖方式引孔。為加快施工進度，在棧橋四周采用多臺鉆機同時打設(shè)，引孔深度與鋼管樁打設(shè)深度保持一致。

（2） 打設(shè)。引孔完成后，在鋼護筒上焊接托架，作為安裝第一層圍檁。先安裝圍檁的目的是可作為打設(shè)鋼管樁的導(dǎo)向裝置，所有鋼管樁采用Z90 型振動錘延著圍檁外側(cè)打設(shè)。打設(shè)鎖扣鋼管樁注意事項：①打設(shè)應(yīng)從一點開始，再向兩側(cè)展開。嚴禁從中間突然開始，導(dǎo)致后面合龍困難；②嚴格控制鋼管樁打設(shè)的垂直度，宜控制在1%以內(nèi)。如垂直度偏差過大，會導(dǎo)致最后不能完成合龍；③為減少打設(shè)時“C”管和“O”管之間的摩擦力，打設(shè)前在兩管之間應(yīng)涂上黃油；④鋼管樁進入泥巖后，要盡量深入，直到貫入度達到規(guī)定值為止。

（3） 合龍。合龍一般按從上游向下游合龍的順序進行。合龍前，由于前期累積的誤差，在打設(shè)最后一根鋼管樁時，誤差一般都會較大。此時采用常規(guī)“C”管和“O”管難以合龍，可用I16 工字鋼代替“O”管焊接在主管上，再插入到“C”管中。為防止此處漏水，可在“C”管與工字鋼形成的空間內(nèi)填充止水材料。

5 結(jié)論

本文以某高速公路特大橋2#主墩承臺施工為背景，介紹了深水基坑鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計與施工相關(guān)技術(shù)要點，并對其建立相關(guān)模型和計算，得出如下結(jié)論：

（1） 鎖扣鋼管樁圍堰在地形陡峭且場地狹小的泥巖、泥質(zhì)砂巖地質(zhì)條件下優(yōu)勢明顯，具有成本低、工期短等優(yōu)點。

（2） 鎖扣鋼管樁圍堰應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行專門設(shè)計，建立模型，并驗算圍堰封底混凝土強度、圍堰結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐內(nèi)力及鎖扣焊縫應(yīng)力等。

（3） 鎖扣鋼管樁圍堰的引孔、打設(shè)、合龍、止水及施工監(jiān)測是成功的關(guān)鍵因素，施工時應(yīng)特別注意。

（4） 該高速公路特大橋2#主墩承臺已成功實施，經(jīng)核算，相較于鋼套箱圍堰，鎖扣鋼管樁圍堰成本節(jié)約249.34 萬元，降低35.84%；工期節(jié)約22 d，降低15.17%。除此之外，鎖扣鋼管樁圍堰還具有止水性能好，施工安全風(fēng)險低等優(yōu)點，可為其他類似地質(zhì)條件的橋梁施工提供借鑒。